Dr. Humenik, Martin

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Hybridmaterialien

Die Selbstorganisation basiert auf einem autonomen Mechanismus nicht-kovalenter Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekül-Bausteinen. Entsprechende Prozesse benötigen keine externe Energiequelle und haben keine Beschränkungen bei der Skalierung der Dimensionen. Eine solche „Bottom-up“-Strukturbildung auf verschiedenen hierarchischen Ebenen ist von natürlichen Prozessen inspiriert, die hoch organisierte Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften wie Knochen, Muscheln oder Spinnenseide ermöglichen.

Die Anwendung der Prinzipien der Selbstorganisation zur Kontrolle der Strukturierung von Biomaterialien im Nano- und Mikrobereich steht im Mittelpunkt der Arbeit unserer Gruppe.

Research Projects

Dr. Humenik, Martin

martin.humenik(.at.)bm.uni-bayreuth.de

0921-55 6725

DNA-Protein Hybride

Nukleinsäuren können sich selbst mit einer Präzision und Vorhersagbarkeit zu vielen verschiedenen Nanostrukturen zusammensetzen, die unter den natürlichen und synthetischen Materialien ihresgleichen sucht. Eines der besten Beispiele für diese hohe Genauigkeit ist die Faltung von DNA-Origami. Auch rekombinante faserförmige Proteine assemblieren von alleine zu Nanofibrillen, supramolekulare Strukturen aus dicht gepackten Kreuz-ß-Faltblattstrukturen. Solche Fibrillen, die typischerweise einen Durchmesser von 10 nm und eine Länge von Hunderten von Nanometern aufweisen, besitzen eine hohe physiko-chemische Stabilität sowie eine hohe mechanische Steifigkeit. Sie sind daher gut geeignete Gerüste für die Herstellung geordneter Nanomaterialien.

Um die Vorteile sowohl von Protein- als auch von DNA-Materialien zu nutzen, kombinieren wir rekombinante Spinnenseidenproteine und Nukleinsäuren zu Hybridmaterialien. Deren grundlegende Eigenschaften werden charakterisiert, um neue Anwendungen in der Materialforschung zu realisieren. Im Fokus stehen dabei chemische Modifikationen und Konjugationen der Bausteine, Anordnungen von Proteineinheiten bei der Hybridisierung von DNA und die entsprechende Morphologie und Struktur der konjugierten Fibrillen. Die spezifische DNA-Hybridisierung wird ausgenutzt, um die Nukleation der Fibrillen in hierarchische Strukturen auf Oberflächen auszulösen. Durch Kombination von Soft- und Photolithographietechniken mit den DNA-Hybriden kann die Selbstorganisation der supramolekularen Strukturen in 2D und 3D räumlich definiert werden. Unsere Technologie ermöglicht die Bildung von fibrillären Nanohydrogel-ähnlichen Netzwerken in beliebig geformten Mikrostrukturen. Mit chemisch gekoppelten DNA-Aptameren können Enzyme, Wachstumsfaktoren oder sogar ganze Zellen spezifisch und funktional gebunden werden.

 

Abb. 1: Selbstorganisation von DNA-Protein-Hybridmaterialien in Lösungen (bottom-up). Die Spinnenseidenanteile in den Hybriden, die durch chemische Konjugation mit DNA hergestellt wurden, wurden durch gezielte DNA-Hybridisierung räumlich zu verzweigten Strukturen angeordnet und selbstorganisiert zu Bändern, die sich durch DNA-Wechselwirkung bei bestimmten Temperaturgradienten weiter zu Mikrofächern organisierten.

 

Abb. 2: Strukturierung der Hybridmaterialien mittels DNA-gesteuerter Hybridisierungstechnologie. Mit capture-DNA modifizierte Oberflächen wurden mit Hilfe der Mikro-Kontaktdrucktechnologie an definierten Stellen mit komplementären DNA-Spinnenseide-Konjugaten verbunden. Die immobilisierten Konjugate dienten als Keimzellen für das Wachstum von Seidenfibrillen auf der Oberfläche.

 

Abb. 3: Mikrostrukturierte Nanohydrogele. a) Photolithographisch bearbeiteter Positiv-Ton-Photoresist mit Mikrovertiefungen für die räumlich definierte Protein-Selbstorganisation auf der Oberfläche; b) AFM-Scans der selbstorganisierten faserigen Mikrostrukturen nach Entfernung des Photoresists; c) immobilisierte faserige Netzwerke zeigen Nano-Hydrogeleigenschaften wie Quellung und Aufweichung der Oberfläche; d) Zellen, die spezifisch auf den DNA-modifizierten Spinnenseiden-Mikrostrukturen über eine vordefinierte DNA-Zell-Interaktion immobilisiert wurden.

Perspektive

Die Verarbeitung oder Strukturierung von Spinnenseidenproteinen und deren biofunktionalisierten Hybriden zu einer Plattform auf Nanohydrogelbasis ermöglicht die Integration verschiedener Funktionen in immobilisierte Fibrillennetzwerke. Unter Ausnutzung solcher biomolekularer Werkzeuge sollen komplexere Muster erforscht werden, die mehrere Funktionen beinhalten, wie z. B. konjugierte Enzyme, Aptamere oder Goldnanopartikel, die in 1D entlang der wachsenden Fibrillen und in 2D-Mustern auf Oberflächen aufgebracht werden. Die gleichzeitige Möglichkeit der spezifischen Immobilisierung lebender Zellen und der programmierbaren Strukturierung von Nanohydrogelen bietet eine Plattform mit großem Potenzial für die Entwicklung von zahlreichen biologischen und biomedizinischen Anwendungen in der regenerativen Medizin sowie der Zelltrennung und -analytik.

 

Abb. 4: Universelle Plattform eines nanofibrillären Gerüsts aus Spinnenseidenprotein für multifunktionale Oberflächenmodifikationen

Publications

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Factors determining self-assembly of hyaluronan

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Designed Spider Silk-Based Drug Carrier for Redox- or pH-Triggered Drug Release

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Sea star-inspired recombinant adhesive proteins self-assemble and adsorb on surfaces in aqueous environments to form cytocompatible coatings

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